某數(shù)字式控制器電磁兼容性設(shè)計與分析

摘要 介紹了數(shù)字電路中電磁兼容的目的和意義，通過分析某數(shù)字式控制器的具體結(jié)構(gòu)、干擾源及其傳播路徑和特點，提出了從4個方面進行電磁兼容設(shè)計與改進，即系統(tǒng)設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、濾波器設(shè)計和接地設(shè)計，并通過具體的頻譜掃描圖對設(shè)計改進前后進行對比，驗證了理論分析與設(shè)計改進措施的合理性與正確性。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制器被廣泛應用于飛機和無人機領(lǐng)域，數(shù)字式控制器較模擬式控制器有諸多優(yōu)點，但對其應用也帶來一些負面影響，較為突出的是在飛機機載設(shè)備環(huán)境下的電磁兼容問題，若不采取相應的電磁兼容設(shè)計和工程方法的解決，則會產(chǎn)生嚴重問題。

本文針對某飛機機載數(shù)字式控制器在電磁兼容性試驗中遇到的問題，通過電磁理論分析和工程實踐手段對其進行具體分析，系統(tǒng)提出了數(shù)字式控制器的電磁兼容性設(shè)計方法，通過相關(guān)工程實踐解決了電磁兼容試驗中的輻射發(fā)射和傳導發(fā)射超標問題，并通過電磁兼容性試驗驗證了設(shè)計與工程方法的可行性。

1 電磁兼容性試驗要求

機載設(shè)備電磁兼容性試驗的內(nèi)容包括傳導發(fā)射、輻射發(fā)射、傳導敏感度和輻射敏感度。對于機載數(shù)字式控制器的電磁兼容設(shè)計必須根據(jù)機載環(huán)境、干擾源的特點以及傳播途徑，從系統(tǒng)設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、濾波器設(shè)計和接地設(shè)計等方面進行。

2 系統(tǒng)構(gòu)型及電磁干擾源

該數(shù)字式控制器的主要功能是采集、記錄、處理各種傳感器信號和輸入的數(shù)字信號，根據(jù)設(shè)置好的控制率，實現(xiàn)對系統(tǒng)的輸出控制。某數(shù)字式控制器系統(tǒng)架構(gòu)圖及電磁干擾傳播路徑如圖1所示。

該控制器的CPU是主處理模塊，CPU模塊內(nèi)主要電磁干擾源有兩個，如圖1所示，20 MHz的晶振是CPU模塊中的主處理器工作時鐘，同時也是底板總線的時鐘;3.686 4 MHz的晶振是CPU模塊中RS-422A總線通訊的時間基準。AIO模塊中2.4 kHz的交流激勵電壓用于LVDT傳感器的激勵電源。DIO模塊主要用于離散量的調(diào)理和功率輸出等，這里并無明顯的頻率干擾源，基本是54系列的門電路。PS模塊將飛機上的27 V電源轉(zhuǎn)換為控制器內(nèi)使用的二次電源。

3 電磁干擾源分析

圖1顯示了該數(shù)字式控制器內(nèi)的主要干擾源及傳播途徑，即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激勵電壓。通常干擾源對外部的干擾有兩種傳播途徑：一是通過為干擾源器件供電電源線傳播出機箱導致的傳導發(fā)射超標;另一種是通過空間輻射傳播出機箱導致的輻射發(fā)射超標。因此，對電磁干擾的抑制措施也主要通過這兩個途徑進行。

傳導發(fā)射超標就是干擾信號沿著電源線或信號線傳播到機箱外部，干擾信號沿電源線的傳導又分為干擾源直接通過電源線傳播和干擾輻射到空間被電源線接收后再傳播兩種方式。當機載計算機系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時，尤其是不能通過GJB151A標準中的CE102時，最大可能的原因是電源線的濾波和防輻射措施不到位。

數(shù)字式控制器的機箱上有孔縫及連接器和電纜，而孔縫和電纜是效率較高的電磁波發(fā)射與接收天線，空間的電磁干擾通常首先被電纜接收，然后傳入到計算機中，造成電路的誤動作。當機載計算機系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時，尤其是不能通過GJB151A標準中的RE102時，最大可能的原因是孔縫和電纜的電磁干擾泄露。

4 電磁兼容性設(shè)計

4.1 整機系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計

在對數(shù)字式控制器進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、模塊功能分配、機箱模塊配置以及連接器信號定義時，進行了電磁兼容性設(shè)計。

數(shù)字式控制器的20 MHz和3.686 4 MHz兩個時鐘晶振，是電磁兼容設(shè)計控制的重點對象，為了減小其在空間的輻射，在印制板布局時，將20 MHz晶振布在距離處理器芯片的時鐘管腳最近處，而3.686 4 MHz晶振布在距離RS-422A通訊協(xié)議芯片時鐘管腳最近處;走線時，將其走在印制板的內(nèi)層，并處于兩層地之間，在時鐘線周圍加地線包裹;為減少電源線上的傳導干擾，在兩個晶振的+5 V供電電源入口處加磁珠，在28 V電源線入口處增加電源濾波器。

連接器的信號定義也是電磁兼容性設(shè)計的重要方面。在該實例中，對數(shù)字式控制器的信號進行分類，將抗干擾能力弱的模擬信號和抗干擾能力強的28 V電源及功率離散量信號、通訊信號和調(diào)試接口均定義在一個連接器內(nèi)，這樣就在制作電纜時，將功率信號、電源、模擬信號、調(diào)試信號相互分開，降低了高頻對模擬信號的干擾。

4.2 機械結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計

對數(shù)字式控制器而言，設(shè)計制作具有良好屏蔽效能的機箱和模塊殼體，是實現(xiàn)電磁屏蔽的關(guān)鍵。機箱屏蔽效能不僅取決于屏蔽體材料，還取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)，所有機箱表面均有孔縫。因此，必須仔細處理孔縫，防止通過孔縫泄露電磁干擾信號。該控制器在機箱蓋板和箱體之間加共模壓導電橡膠，機箱蓋板螺釘之間的距離設(shè)置入/2。對于連接器和機箱之間的縫隙，采用對高頻具有良好導電性的橡膠條實現(xiàn)密封。

開關(guān)電源模塊內(nèi)的控制器的頻率最大有十幾kHz，但由于其控制的MOS管和變壓器通過的電流較大，因此，也會產(chǎn)生較大的干擾，需通過給開關(guān)電源模塊單獨增加殼體實現(xiàn)雙層屏蔽，以達到較好的屏蔽效果。此外，需注意的是，所有屏蔽效果的實現(xiàn)均依賴于屏蔽體的良好接地，因此，必須仔細處理機箱的接地，測試機箱的接地電阻是否符合機載設(shè)備的相關(guān)標準要求。

另外一種結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計的方法是對電纜的電磁屏蔽。在進行該控制器的電纜設(shè)計制作時，將電源線、模擬量信號和通訊信號分別單獨做電纜且雙絞屏蔽。為了減小電路對外的電磁輻射強度，將電源線和對應的地線在磁環(huán)上繞砸，或?qū)⒉罘中盘柕膬筛€在磁環(huán)上繞砸。而一組通訊接口中的發(fā)送和接收也分別做了屏蔽，還對每個差分電路的兩根線分別進行雙絞屏蔽。電纜屏蔽層的接地是通過屏蔽層與金屬連接器外殼可靠接地。

4.3 電源濾波器設(shè)計

該數(shù)字式控制器的電源濾波器由電感、電容、共模電感元件構(gòu)成低通濾波器，其基本電路如圖2所示。

由于控制器的濾波器在安裝過程中不規(guī)范，出現(xiàn)了CE102超標的問題，其頻譜曲線如圖3所示。經(jīng)仔細分析和排查，發(fā)現(xiàn)濾波器的輸入輸出線距離較近，將濾波器“短路掉”，根據(jù)這一原因，進行更改后，CE102頻譜掃描完全在標準范圍內(nèi)，其頻譜曲線如圖4所示。

試驗結(jié)果驗證了理想的濾波器安裝方式是輸入線盡量短，其輸入和輸出線隔離，濾波器外殼良好接地。

4.4 接地設(shè)計

該數(shù)字式控制器中的地包括28 V供電電源地、28V離散量信號地、數(shù)字電路地、模擬電路地和機箱搭鐵地。28 V供電電源的地線必須單獨引線，不能用機箱搭鐵作為地線，在處理時也是單獨引一根地線，不與機箱連接。數(shù)字電路地是機載計算機的二次電源地，因此，其地線中有大量的高頻電流，為了抑制數(shù)字電路對模擬電路所帶來的干擾，將數(shù)字電路與模擬電路分開布線、鋪設(shè)地層，并減少相互影響。模擬電路地也是機載計算機的二次電源地，通常會有混合電路芯片如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電，且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過一根最短的印制板走線相連，即單點接地，以免形成地環(huán)路。

為保證整個控制器的參考地穩(wěn)定，也為了確?？刂破骱推渌麢C載設(shè)備電氣互聯(lián)具有統(tǒng)一的參考，將整個系統(tǒng)的地與機箱通過單點接地，而機箱通過搭鐵線與飛機機體或大地可靠連接。

5 結(jié)束語

本文通過分析數(shù)字式控制器的具體結(jié)構(gòu)和特點，找出了主要干擾源，并從整機系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)和電源濾波器以及接地系統(tǒng)進行了有針對性的電磁兼容設(shè)計，使該數(shù)字式控制器的電磁兼容性試驗全部達到要求，其中CE102的頻譜掃描圖見圖5所示。同時，試驗結(jié)果也驗證了文中電磁兼容設(shè)計方法是行之有效的，可供其他電子設(shè)備借鑒。